固态相变原理 Ch2-1 概论

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1、固态相变原理朱景川哈尔滨工业大学材料学院固态相变特征与分类本章内容经典形核理论与长大机制宏观动力学与相变产物粗化第二章固态相变概论非匀相固态相变理论局域或扩展：金属-非金属转变材料相变结构成分广义：电子态狭义：物态、晶型、原子位置或分子取向电子自旋有序：磁性转变相对变化：孤立或封闭体系，成分分布绝对变化：开放体系脱溶沉淀：结构与成分相变耦合压电晶体：铁电与铁弹相变耦合铁磁相沉淀：结构、成分与自发磁化1.基本概念孤立系统封闭系统敞开系统(1)系统与环境S2-1相变热力学基础微正则系综(NVE)正则系综(NVT)巨正则系综(VT)(

2、2)状态与性质(3)过程与平衡宏观状态状态函数体系性质微观状态平衡态可逆过程微观结构(5)对称性与守恒定律诺特尔(德国女数学家1883～1935)定理(4)等价状态与对称操作(6)对称破缺与系统的演化当系统所受合外力不为零时，空间平移对称性破缺系统运动时间反演对称性保守系统非保守系统时间反演对称破缺过程的方向热力学第二定律2.热力学第一定律3.熵4.热力学第二定律可逆过程不可逆过程平衡状态自发过程应用范围？5.恒压过程复合量——焓6.自由能对恒温恒容可逆过程：体系总能量中具有做非体积功能力的那部分能量。亥姆

3、霍兹自由能对恒温恒压可逆过程：吉布斯自由能7.自由能判据，自发过程，平衡状态，自发过程，平衡状态恒温恒容恒温恒压8.热力学的基本公式封闭体系只做体积功的可逆过程9.热力学势与体系性质的关系特殊性：(1)固态形核和长大(2)晶体缺陷的作用共性：相变的驱动力S2-2固态相变特征母相的约束界面能增加额外弹性应变能扩散困难相变阻力大1.相界面纯铁中的半共格界面2.应变能(1)体积应变能(2)界面应变能(共格应变能)正应变维持的第一类共格界面(a)与切应变维持的第二类共格界面(b)3.位向关系Appl. Phys.Lett., Vol.84

4、(24), 4872Ti-6Al-4V合金快速升温马氏体相变{0002}a//{110}b<11-20>a//<111>bBurges取向关系3.位向关系TA15钛合金锻态组织与位向关系TA15钛合金相三维形态与取向3.位向关系ZrO2-NiFGM中陶瓷/金属相界面(半)共格界面位向关系，反之不亦然非共格界面无位向关系，反之不亦然相界面与位向关系之关系4.惯习面惯习现象：新相沿特定的晶向在母相特定晶面上形成。惯习方向惯习面原因：沿应变能最小的方向和界面能最低的界面发展。镍基合金中片状δ-Ni3Nb相分布形态a)δ相在基体中的分布

5、b)δ片表面平行入射束时形态c)基体[110]晶带衍射花样4.惯习面不倾转平面：略有畸变，某些扩散型相变中存在不变平面：无畸变无倾转，马氏体转变特征惯习面高锰TRIP钢中形变诱发马氏体组织6.过渡相结构势垒：界面势垒：应变势垒：浓度势垒：5.晶体缺陷的作用S2-3固态相变的分类常见的固态相变分类法1按热力学分类热力学势(自由能)对温度或压力的偏导数在相变点的数学特性S2-3固态相变的分类(n-1)阶偏导连续n阶偏导不连续n级相变例如：一级相变当T=Tc（或P=Pc），一级相变中热力学势及其偏导的变化(1)体积变化(2)相变潜热(

6、3)相变滞后一级相变特征两相共存（过冷、过热亚稳母相与新相）由1相转变为2相时，,而且自由能的一阶偏导数也相等，只是自由能的二阶偏导数是不相等的二级相变但其中压缩系数；热膨胀系数。故二级相变时即在二级相变时，体积和焓均无突变，而、及具有突变。二级相变中热力学势及其偏导的变化(1)无体积变化与相变潜热;(2)无相变滞后和两相共存(3)热力学势二阶导数不连续，导致某种对称性的破缺，引起某种物理性质的变化。连续相变二级相变特征铁磁相变一般是二级相变但已发现个别属于一级相变的铁磁相变：例如：MnAs中的铁磁-顺磁相变KMnF3的反铁磁-顺

7、磁相变C.P.Bean,D.S.Rodbell.PhysicalReview,1962,126(1):104-115玻色-爱因斯坦理论凝聚是上世纪二十年代理论预言。1995年起陆续实现了Rb（铷）锂等碱金属气体原子BEC，已获得试验证实，获诺贝尔奖（2001年）。三级相变玻色-爱因斯坦凝聚系统可分为两个热力学“相”：一个相由动量为零的粒子组成，令一个由动量不为零的粒子组成。玻色-爱因斯坦凝聚是在粒子动量空间的凝聚或有序Bose–Einsteincondensate(BEC)Velocity-distributiondataofag

8、asofrubidium（銣）atoms,confirmingthediscoveryofanewphaseofmatter,theBose–Einsteincondensateastateofmatterofadilutegasofweaklyi